Osman Hamdi Bey gilt als einer der Begründer einer eigenen türkischen Schule.
Auch wenn er sich schon früh für Kunst interessierte und sein malerisches Talent entdeckte, besuchte er nach seinem Schulabschluss ab 1856 die Rechtswissenschaftliche Schule (Mekteb-i Maarif-i Adliye) in Istanbul. Im Anschluss schickte ihn sein Vater von 1860-69 zum Jurastudium nach Paris. Dort besuchte er unter anderem auch Kurse an der École des Beaux-Arts für Archäologie und Malerei unter Gustave Boulanger (1824-1888) und Jean-Léon Gérôme (1824-1904).
Nach seiner Rückkehr nach Istanbul trat er in den Staatsdienst ein und hatte bis 1878 verschiedene Ämter inne. 1881 wurde er zum Direktor des Imperialen Museums (Müze-i Hümâyun) in Istanbul ernannt. Heute befindet sich dort das Archäologische Museum. Ein Jahr nach seiner Ernennung gründete er die Kaiserliche Kunstakademie (Sanayi-i Nefise Mektebi) in Istanbul, an der er bis 1910 Direktor war.
1873 bekam er als Kommissar bei der Weltausstellung in Wien eine neue Bedeutung. Sein Vater gab den türkischen Pavillon in Auftrag und Hamdi Bey war für die Exponate aus der Staatssammlung verantwortlich.
Nach seinem Schulabschluss nahm er an zahlreichen Archäologischen Ausgrabungen teil, unter anderem in Sidon/Libanon 1887. 1884 war er außerdem am „Gesetz zum Schutz des antiken Kulturgutes“ (Asar-i Anika Nizamnamesi) beteiligt, laut dem alle Altertümer des Osmanischen Reiches zum Staatsbesitz erklärt wurden. Auch sollten alle durch Ausgrabungen gefundenen Antiken dem archäologischen Museum zugesprochen werden.
Im gleichen Jahr ließ er sich ein Sommerhaus in Eskihisar bauen, in dem er sein Atelier einrichtete. Heute ist das Gebäude in staatlichem Besitz und beherbergt seit 1987 das Museum Osman Hamdi Beys (Osman Hamdi Bey Evi).
1906 erhielt er den Ehrendoktortitel der Universität Leipzig.

Ab 1878 wurde er malerisch tätig und schuf hauptsächlich großformatige Ölgemälde mit figürlichen und architektonischen Motiven. Seine Werke zeigen deutlich den Einfluss seiner Lehrer Gérôme und Boulanger.  Er gehörte zu den herausragendsten Repräsentanten der orientalischen Malerei im Osmanischen Reich. Das Besondere an seinen Arbeiten war seine Rückinterpretierung exotischer Fantasien des europäischen Orientalismus. Im Gegensatz zu den orientalistischen Malern des Westens, die in ihren Werken häufig eine gängige Stereotypisierung des Orients zeigten, die sich aus religiösem Fanatismus, sinnlichen Exzessen und kriegerischer Gewalt zusammensetzte, gab er in seinen Gemälden das damalige Leben in der osmanischen Hauptstadt wieder. Religion ist in seinen Werken eine Förderin der intellektuellen Wissbegier. Er war einer der ersten türkischen Maler, der sich mit Frauen in der Malerei auseinandersetzte und sie nicht nur portraitierte, sondern sie in ihrem alltäglichen Leben abbildete und sie so den Männern ebenbürtig darstellte.